井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采技術

孫四清，李文博

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

碎軟煤層具有煤體強度低、滲透性差、瓦斯含量高等特點，煤層開采過程中瓦斯災害嚴重且治理難度大[1]。我國碎軟煤層較為發育，對于碎軟煤與瓦斯突出（簡稱突出）煤層在開采過程中的瓦斯災害治理多采用底板穿層鉆孔、順層短孔抽采方式，或輔以水力化增透措施[2-7]。底板穿層鉆孔抽采煤層瓦斯存在巖巷掘進工程量大、治理周期長、鉆孔揭煤段短、抽采治理效果受限等問題，無法實現碎軟突出煤層瓦斯大區域高效抽采治理。碎軟突出煤層瓦斯順層短孔抽采方式存在成孔性差、抽采鉆孔短、抽采區域小等問題。針對該問題，文獻[8-9]提出了梳狀定向孔鉆進抽采碎軟煤層瓦斯技術，借助圍巖解決碎軟煤層區域抽采鉆進難題。文獻[10-15]研究了圍巖梳狀定向長鉆孔分段壓裂技術，并在陽泉、韓城等典型碎軟突出煤層礦區進行了工程應用，實現了碎軟突出煤層瓦斯大區域治理。但碎軟煤層一般含有大量煤粉顆粒，梳狀定向長鉆孔鉆進揭露煤層或分段壓裂施工過程中，均會有大量煤粉顆粒涌出，影響施工安全；前期壓裂液均為清水，卸壓后裂縫存在不同程度閉合，制約了壓裂增透效果。在地面煤層氣領域，文獻[16-18]開發了水平井頂板加砂分段壓裂技術，并在淮北、晉城等典型碎軟突出煤層礦區取得了較好的工程應用效果，成為碎軟煤層地面煤層氣高效開發的關鍵技術。

基于煤礦井下碎軟煤層圍巖定向鉆探、水力壓裂增透技術已有成果，借鑒地面煤層氣水平井頂板加砂分段壓裂思路，本文提出煤礦井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采技術。煤礦井下壓裂泵組排量、壓力、攜砂能力等均比地面小，壓裂能否取得預期效果，國內外沒有可供借鑒的經驗。從含煤地層煤巖力學和地應力特征差異分析、煤巖層水力加砂壓裂數值模擬、典型礦區工程實踐等方面對該技術進行探索研究，以期為我國煤礦井下碎軟煤層瓦斯大區域高效抽采治理提供新思路。

1 井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采思路提出

壓裂裂縫的擴展、延伸與煤巖層脆性指數緊密相關，脆性指數高，則易形成長縫、復雜縫[19]。煤巖層脆性指數由其彈性模量和泊松比共同決定，高彈性模量、低泊松比煤巖層的脆性指數相對較高。典型碎軟突出礦區煤層及其頂底板巖層力學參數及地應力見表1?？煽闯鲰敯鍘r層彈性模量為2.36～26.00 GPa，碎軟煤層彈性模量為0.7～7.2 GPa，頂板巖層彈性模量為煤層的2.56～6.71倍；頂板巖層泊松比為0.13～0.32，碎軟煤層泊松比為0.27～0.40，頂板巖層泊松比為煤層的0.48～0.84倍。相對于碎軟煤層，頂板呈現高彈性模量、低泊松比特性，表明巖層具有相對較高的脆性。另外，各礦區煤巖層均以垂向應力為最大主應力，煤層最小水平主應力比其頂板小1.07～1.62 MPa。

表1 典型碎軟煤層礦區煤層與頂底板巖層力學參數及地應力Table1 Mechanics parameters and in-situ stress of coal, roof rock and floor rock in typical broken and soft coal seam mines

從煤巖層可壓裂性角度看，碎軟煤層脆性指數較低，若直接對其進行壓裂，煤體多發生塑性變形，往往形成寬而短的壓裂縫，難以形成較理想的長壓裂縫網。含煤地層垂向應力一般大于最小水平主應力，在頂板巖層中壓裂可形成垂直壓裂縫；煤層最小水平主應力較頂板巖層小，頂板壓裂縫在沿橫向快速延伸的同時，也沿地應力梯度降低方向延伸，從而穿入煤層；在連續泵注條件下，頂板壓裂縫不斷橫向擴展，產生撕裂拉扯作用，在碎軟煤層中形成長壓裂縫[16，20]。因此，間接壓裂碎軟煤層頂板較直接壓裂更能形成溝通范圍廣、泄流面積大的壓裂縫。

基于上述分析，提出井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采思路，如圖1所示。借助煤層頂板巖層高彈性模量、低泊松比等特性，以及鉆探易成孔、壓裂易成縫等優勢，應用定向鉆進裝備在煤層頂板穩定巖層中施工定向長鉆孔，鉆孔與煤層距離一般小于10 m。定向長鉆孔施工完畢后，采用井下壓裂泵組和分段壓裂工具對鉆孔由里向外逐段攜砂壓裂，壓裂完畢后形成一個以定向長鉆孔將巖層完全聯通、煤巖層中壓裂縫網將煤層充分溝通的多級縫網。壓裂過程中進入裂隙系統的支撐劑可有效保障縫網處于開啟狀態，保持裂隙有效聯通。鉆孔連接抽采管路系統后，在負壓和濃度差的雙重作用下，煤層瓦斯沿壓裂縫網迅速移動，進入定向長鉆孔被抽出煤層，實現碎軟煤層瓦斯頂板定向長鉆孔大區域高效抽采。

圖1 井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采Fig.1 Efficient gasextraction by staged fracturing roof with sand of underground broken and soft coal seam

2 煤層及頂板水力加砂壓裂數值模擬

2.1 壓裂地質模型建立

根據井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采思路，以山西新景礦煤業有限責任公司（以下稱新景煤礦）保安區某工作面3號煤層為例，根據該工作面煤層與頂底板巖層力學參數和地應力（表1），建立了“頂板?煤層?底板”煤層及頂板水力加砂壓裂地質模型，如圖2所示。對模型作出以下假設：①煤層及其頂底板均為各向同性體，且煤層及其頂底板間膠結面完好。②模型地應力符合研究區地應力特征，以垂向應力為最大主應力。③煤層最小水平主應力梯度小于頂底板。④壓裂鉆孔布置在距煤層2 m的頂板巖層中，走向上平行于煤層最小水平主應力方向。⑤鉆孔內垂直向下定向噴砂射孔。

圖2 煤層及頂板水力加砂壓裂地質模型Fig.2 Geological model for hydraulic fracturing coal seam and roof with sand

2.2 數值模擬結果及對比分析

采用FracproPT數值模擬軟件對煤層和頂板水力加砂壓裂進行數值模擬，參數設置見表2，對煤層和頂板壓裂裂縫延展形態和鋪砂情況進行定量研究。

表2 煤層和頂板水力加砂壓裂數值模擬參數Table 2 Numerical simulation parameters of hydraulic fracturing coal seam and roof with sand

碎軟煤層和頂板水力加砂壓裂數值模擬裂縫形態分別如圖3、圖4所示。模擬結果表明：碎軟煤層壓裂縫在水平方向上的縫半長8.1 m，平均縫寬5.1 cm，支撐劑平均濃度為5.2 kg/m2；頂板壓裂縫在水平方向上的縫半長28.3 m，垂直方向上的縫長10.4 m，平均縫寬2.5 cm，支撐劑平均濃度為2.3 kg/m2。頂板壓裂縫在水平方向上的長度約為煤層壓裂縫的3.49倍，垂向裂縫向下延伸長度大于鉆孔與煤層間距，可實現煤層有效溝通；壓裂支撐劑多分布于裂縫尖端部位，能夠保持裂縫處于開啟狀態。

圖3 煤層水力加砂壓裂模擬裂縫形態Fig.3 Simulated crack shape of hydraulic fracturing coal seam with sand

圖4 頂板水力加砂壓裂模擬裂縫形態Fig.4 Simulated crack shapeof hydraulic fracturing roof with sand

碎軟煤層水力加砂壓裂經歷煤體塑性變形?壓密?斷裂等復雜過程，煤體塑性變形、壓密過程迫使部分能量損耗，使得裂縫面尖端部位鈍化，導致煤層壓裂縫規模顯著減小[21]。相較于碎軟煤層，可認為頂板水力加砂壓裂達到破斷壓力后，巖層直接產生斷裂作用；隨著縫內凈壓力不斷增大，裂縫在水平方向大范圍擴展；同時，產生的撕裂拉扯作用帶動裂縫向下延伸并進入煤層，大范圍溝通碎軟煤層[18]。因此，碎軟煤層頂板水力加砂壓裂較煤層壓裂產生更好的效果。

3 工程試驗

3.1 研究區地質概況

工程試驗研究區位于新景煤礦某工作面，研究目標煤層為二疊系下統山西組3號煤。煤層埋深為458.9～558.2 m，煤層厚度為2.07～2.70 m，煤體結構類型以碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤為主，煤的堅固性系數為0.3～0.8。煤層瓦斯含量為15.95 m3/t，瓦斯壓力為2.60 MPa，煤層透氣性系數為0.009 7 m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.597 d?1?？梢?號煤層是典型的碎軟低滲高突煤層。3號煤層直接頂為泥巖或砂質泥巖，厚度為0.3～2.4 m；該層之上主要為中砂巖、粗砂巖和細砂巖，巖層厚度為4.7～13.8 m，平面分布較穩定。測得頂板砂巖層彈性模量為14.1 GPa，泊松比為0.13。

3.2 壓裂設計及施工

為便于定向長鉆孔鉆探施工和分段壓裂封隔器膨脹座封，選擇分布較穩定且脆性指數較高的3號煤層頂板砂巖層作為加砂分段壓裂定向長鉆孔布置層位，鉆孔與煤層距離約為5 m。設計2個頂板定向長鉆孔，鉆孔采用兩級孔身結構，一開孔徑為?215 mm，下入100 m ?146 mm套管固孔，二開孔徑為120 mm，為裸眼鉆孔，鉆孔長度均為609 m。2個定向長鉆孔布置及分段情況如圖5所示。

圖5 壓裂鉆孔布置及分段情況Fig.5 Arrangement and segmentation of fracturing boreholes

完成鉆孔施工后，采用拖動式分段壓裂工藝，對1號鉆孔和2號鉆孔分別按6段和10段進行加砂壓裂。壓裂液由清水、1%KCl及0.05%殺菌劑混合而成，壓裂支撐劑選擇粒徑為0.4～0.6，0.6～0.8 mm的核桃殼砂。1號鉆孔和2號鉆孔累計壓入水量分別為963.90，1 844.6 m3，使用核桃殼砂量分別為13.11，23.36 t，砂比為2.02%～2.56%。2個鉆孔分段壓裂施工參數見表3。

表3 分段壓裂施工參數Table 3 Construction parametersof staged fracturing

2個鉆孔典型壓裂段泵注壓力與排量變化曲線如圖6所示?？煽闯鲈诒米⑴帕糠€定的情況下，泵注壓力曲線呈現上升、下降及鋸齒狀波動，較好地反映了注水加砂壓裂過程中煤巖層的破裂及裂縫延伸情況。

圖6 典型壓裂段泵注壓力與排量變化曲線Fig.6 Variation curvesof pump injection pressure and displacement of typical fracturing sections

3.3 工程試驗效果

壓裂施工完成后，采用示蹤劑、孔內瞬變電磁等方法對2個鉆孔壓裂影響范圍進行考察，測得2個鉆孔壓裂影響半徑為20～38 m。壓裂鉆孔連接抽采管路后進行瓦斯抽采，統計100 d瓦斯抽采監測數據，得1號鉆孔抽采瓦斯純量為1 025.11 m3/d，2號鉆孔抽采瓦斯純量為2 810.60 m3/d。2個壓裂鉆孔百米瓦斯抽采純量為同區域順層未壓裂鉆孔的5.6～15.4倍，由此驗證了頂板加砂分段壓裂顯著提升了碎軟煤層瓦斯抽采效果。

4 結論

（1）統計分析了典型碎軟煤層礦區煤層與頂底板巖層力學參數和地應力特征，可知頂板巖層彈性模量為碎軟煤層的2.56～6.71倍，泊松比為煤層的0.48～0.84倍，含煤地層以垂向應力為最大主應力，煤層最小水平主應力比頂板小1～3 MPa。統計結果顯示頂板巖層具有高彈性模量、低泊松比特征，較碎軟煤層更易壓裂改造，分析認為壓裂碎軟煤層頂板較壓裂煤層效果更好。

（2）建立了新景煤礦井下碎軟煤層和頂板水力加砂壓裂數值模擬地質模型，采用FracproPT數值模擬軟件分別對煤層及頂板進行壓裂模擬。模擬結果表明，頂板壓裂裂縫在垂直方向上主要向煤層方向延伸，在水平方向上壓裂縫長為煤層壓裂縫長的3.49倍，碎軟煤層間接壓裂頂板較直接壓裂煤層產生更好的壓裂效果。

（3）在新景煤礦某工作面3號煤層完成2個井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯抽采鉆孔工程應用試驗。鉆孔長度均為609 m，分別按照6段和10段壓裂，單孔壓入水量分別為963.90，1 844.6 m3，加核桃殼砂量分別為13.11，23.36 t。測得2個鉆孔的壓裂影響半徑為20～38 m，鉆孔瓦斯抽采純量分別為1 025.11，2 810.60 m3/d，百米鉆孔瓦斯抽采純量為同區域順層未壓裂鉆孔的5.6～15.4倍。